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摘要：数字化实验对于化学教与学的价值越来越受到化学工作者的重视。借由一次市公开课的机会，作者开设了以电影《流浪地球》为素材的主题式复习课，其中设计了一个特色环节：给集气瓶“穿上毛衣”，然后巧用Vernier传感器创设问题情景，先以宇航服材料的选择引发认知冲突，再通过数字化实验探究羊毛和化纤的隔热及保温效果，最终引导出“虽然性质决定用途，但还需要考虑诸多因素”的思想。通过质疑激发了学生的学习兴趣，质疑并思考是促进学生思维发展的重要方式，也是培养化学核心素养中“证据推理”的必要环节。学生通过数字化实验探究和分析讨论，在解决问题的过程中发展思维，内化素养。
关键词：Vemier传感器;数字化实验;实验探究;发展思维
文章编号：1008-0546（ 2019）08-0085-03
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.08.027
一、案例背景
“化学课程标准”指出：化学教学要“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力。有趣又有意义的问题提出和实验探究，有利于培养学生质疑、探究、思考、总结的思维习惯[1，2]。与传统实验相比，数字化实验采集数据量大，占用时间少，能完成传统实验手段做不出的实验，数字化实验对于化学教学的价值越来越被广大化学教育工作者重视，已成为创设探究性化学实验的重要助力[3]。
提高中学生运用现代技术手段解决化学问题的能力已是当今实验改进创新的重要方向之一，近三年南京中考化学试题均引入了数字化实验，在考查学生能力方面提出了新的要求，所以有必要在初中开展数字化实验教学，提高学生的化学学习能力和化学基本素养[4]。已有很多研究为运用手持技术培养学生解决问题的能力找到理论依据，很多专家认为手持技术是一种应用先进实用技术和教育理念、集数据采集与分析于一体的实验系统，它对化学问题解决能力的培养有着传统实验技术不可比拟的优越性：（1）实时、生动、直观的特点激发学生解决问题的兴趣和动机;（2）利用计算机将图形、图像集成，利于学生建构化学问题解决活动的原型，帮助学生建构良好的问题表征;（3）数据采集的自动化使实验操作变得简单，可以使学生集中注意力于实验设计等高级思维活动，充分关注问题解决策略的运用;（4）实验结果实时、精确，缩短了数据分析的时间，提高了反馈的准确性;（5）简便的数据采集，大容量的信息储存，多种模式的显示方式有利于培养学生信息采集、整理和分析的能力[5，6]。数字化实验还可以增加学生探究的广度与深度，提高学生的课堂参与度，同时可以有效提升学生的科学探究能力，利于培养科学精神[7]。
在2019年4月的一次市教研活动中，笔者以电影《流浪地球》为情景素材开设了一堂主题式的公开课，在这节课的一个教学环节中利用Vemier传感器和“穿毛衣”的集气瓶巧妙创设了一个基于数字化实验的探究情景，顺利引导出想要得出的预设结论，并从中培养学生质疑、探究、思考、总结的思维习惯。以此教学片段为例，提供教师在教学中利用手持技术引导学生思维发展，并促进学生化学核心素养形成的探究案例。
二、案例描述
本节课的总体构架是先通过《流浪地球》中点燃木星的情節复习燃烧条件，进而复习燃料，通过火箭燃料过渡到飞上太空需要穿宇航服，从而由宇航服的资料进一步复习材料的分类，其中包含了学生分组实验鉴别生活中常见的纤维和数字化实验探究羊毛和化纤的保温及隔热效果。在一系列教学活动中，不仅复习了主题4的相关知识点，并从中向学生渗透“结构决定性质，性质决定用途，用途多方考虑”的化学思想。
在做数字化实验之前的教学环节中，学生通过制造宇航服的拓展资料复习了材料的分类，并通过小组实验检验了三种不同颜色不同纤维材料制成的毛线，得出结论：红色毛线是羊毛，黄色毛线是化纤，白色毛线是棉。此时笔者再拿出之前的资料提出问题：“我们再看之前宇航服中所用到的材料，宇航服保暖内层用的是羊毛材料，隔热外层用的是化纤。但是保暖这个词给我们的感觉是阻止热量出去，隔热是阻止热量进来，这两个词好像是一个意思呀？”学生纷纷点头，随后一脸疑惑。
继续设疑：“难道需要保温的时候羊毛效果更好，需要隔热的时候就是化纤效果更好了吗？”有的学生通过表情告诉我觉得可能是这样，大多数学生们继续一脸疑惑。这样就自然而然导入到了数字化实验探究的环节，当学生们听到老师说“通过一个数字化实验来探究一下吧”，全体都露出了兴奋期待的表情。
过渡陈述：“同学们刚刚亲手探究了红色毛线是什么材料？黄色呢？老师现在拿出了两件相同形状厚度的毛衣，是由粗细一致的这两种毛线用同样的织法制成的。”学生们看着两个护腕形状的物件被老师说成毛衣，哈哈大笑。“这是集气瓶的毛衣，我们现在给集气瓶穿上毛衣吧！”学生们看到教师把毛线护腕套在集气瓶上之后露出恍然大悟的表情。
接下来开始数字化实验（实验操作如图1所示）：在距离太阳灯的等距对称位置放置两个“穿毛衣”的集气瓶，将两个“穿毛衣”的集气瓶（瓶内是空气）与Vemier温度传感器相连，然后经由数据采集器连接笔记本电脑上的配套软件，打开太阳灯对“穿毛衣”的集气瓶进行等效加热，点击软件上的采集数据，以曲线形式呈现数据。为方便学生观察，调整纵坐标的范围，让学生更早的观察到两个样品升温速率的差距。在公开课上实际采集3分钟看到明显的温差后停止操作，在课件上展示课前采集2000秒以上的数据（如图2所示），让学生手摸“毛衣”并提问学生隔热效果好的材料是？通过观察对比分析，虽然手摸感觉升温差距不明显，但通过数字化对比实验的温度曲线可以发现羊毛的隔热效果更好。
保温实验也在课前完成（实验操作如图3所示）：将两瓶空气样品通过太阳灯照射加热到相同温度（通过连接温度传感器实时监控，加热到约40℃），然后给两个集气瓶穿上不同的毛衣，自然放置冷却，经由数据采集器将温度数据传输到笔记本电脑上的配套软件，采集约1000秒的数据（如图4所示）。让学生观察数据并提问保温效果好的材料是？学生发现也是羊毛。得出结论：羊毛保温和隔热效果都比化纤好。 笔者继续追问：“既然隔热效果和保温效果都是羊毛优于化纤，那么为什么宇航服的保温内层使用羊毛！但隔热外层却使用化纤呢？”学生小组交流讨论一会儿提出一些猜想之后，提示学生去看人教版下册课本的第105页，学生发现教材上写有“合成纤维强度高、弹性好、耐磨和耐化学腐蚀，但它的吸水性和透气性较差。”原来是因为内层材料不仅要考虑保温还要考虑舒适，而外层材料不仅要考虑隔热还要考虑耐磨等因素。联系学生的生活实际，回忆生活中羊毛衫总是穿在里面，而外套大衣使用化纤材料居多。再提问：“第8单元学习金属材料时我们知道铜和银导电性差距不大，但银更优越，为何使用铜作导线？”结合刚刚羊毛和化纤在宇航服制造中的使用讨论，引导学生回答出“虽然性质决定用途，但实际使用时要考虑诸多因素”。
此时用结构化板书小结：“结构决定性质，性质决定用途，用途多方考虑。”（在之前的教學中通过纤维材料的介绍已经提出结构决定性质。）于此完成基于数字化传感器和“穿毛衣”集气瓶的教学环节。
三、教学反思
本堂课笔者尝试将热门电影素材融人教学进行初中化学主题4的复习，围绕复习的知识费心整理资料素材，精心设计环环相扣的问题链。以数字化实验为亮点，利用数字化实验探究创设情景激发学生的思考分析，分析得到的结论依然回归教材。学生活动丰富，在各式各样的活动中提升了学生资料阅读、信息提取、证据推理、分析归纳、实验探究等能力，并体会化学与社会发展息息相关，感受学好化学可以创造更好的未来。
基于Vemier传感器探究不同纤维材料隔热保温效果的探究实验片段，始于课堂情景素材给学生产生的认知冲突，质疑是培养化学核心素养中“证据推理”的必要环节[8]。Vernier传感器将学生无法感知的细微温度变化以精确曲线的形式表征，通过对实时直观的数字化实验数据进行对比分析，培养了学生从定性探究到定量探究的思维方式，也提高了学生的证据推理能力，学生从中深刻体会到“物质的性质决定用途，但仍要考虑诸多因素”。以宇航服的材料选择为背景，激发了学生解决问题的渴望，在此种环境的营造下，课堂讨论氛围浓烈，学生兴趣盎然，结合数字化实验探究，共同实现了对学生化学核心素养的培养。
学习认知是从思维开始，有了思维，才会提出问题;有了思维，才会有解决问题的猜想;有了思维，才会解决问题。因此探究教学是在思维探究的基础上进行的，离开了思维探究，探究教学就成无本之木。“满堂灌”“炒冷饭”固然能使学生掌握化学基础知识、基本原理、基本技能，但是缺乏新鲜、动机的教学模式使课堂成为一潭死水，学生无兴趣，教师无动力。丧失活力的课堂，学习的有效性、高效性自然无从谈起[9]。
“化学课程标准”把“全面发展学生的学科核心素养”作为未来教学最重要的培养目标。化学学科核心素养包含“科学探究与创新意识”这一内容，在解读中提到“能发现和提出有探究价值的问题，能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用实验等方法进行实践活动[10]”。我们一线教师应在实际教学过程中切实践行新理念，开展以实验为主的多种探究活动，有目的、有计划地进行指向核心素养的教学设计，引导学习方式的转化，不断促进学生核心素养的发展，培养新时代全面发展的人。
参考文献
[1]陈苏苏，王伟群.化学探究式教学中学生思维的引导[J].化学教与学，2011（1）：2-3
[2]姚中奎，化学课堂教学中培养学生思维能力初探[J].中学化学教学参考，2000（1-2）：80-81
[3]徐惠，马宏佳.“数字化实验”校本课程的开发与实施[J].化学教与学，2018（2）：2-8
[4] 陈勇.从南京市近三年中考看初中化学数字化实验的渗透[J].化学教与学，2018（10）：82-83
[5]钱扬义.手持技术在研究性学习中的应用及其心理学基础[M].北京：科学出版社，2006：68-79
[6]钱扬义.手持技术在理科实验中的应用研究[M].北京：高等教育出版社，2003：36-39，133 -137，159-161，223， 228
[7] 刘艳，新技术新实验新亮点[J].化学教与学，2018（10）：79-81
[8]赵鑫，谢天华.基于化学学科核心素养中“证据推理”素养的培养[J].化学教与学，2018（10）：12-15
[9] 吴冯，王伟群.让化学成为关注社会问题的工具[J].教学设计研究，2016（1）：74-75
[10]李淑霞.对新课标化学实验的内容分析及教学建议[J].教育与装备研究，2019（3）：28-31
关键词：Vemier传感器;数字化实验;实验探究;发展思维
文章编号：1008-0546（ 2019）08-0085-03
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.08.027
一、案例背景
“化学课程标准”指出：化学教学要“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力。有趣又有意义的问题提出和实验探究，有利于培养学生质疑、探究、思考、总结的思维习惯[1，2]。与传统实验相比，数字化实验采集数据量大，占用时间少，能完成传统实验手段做不出的实验，数字化实验对于化学教学的价值越来越被广大化学教育工作者重视，已成为创设探究性化学实验的重要助力[3]。
提高中学生运用现代技术手段解决化学问题的能力已是当今实验改进创新的重要方向之一，近三年南京中考化学试题均引入了数字化实验，在考查学生能力方面提出了新的要求，所以有必要在初中开展数字化实验教学，提高学生的化学学习能力和化学基本素养[4]。已有很多研究为运用手持技术培养学生解决问题的能力找到理论依据，很多专家认为手持技术是一种应用先进实用技术和教育理念、集数据采集与分析于一体的实验系统，它对化学问题解决能力的培养有着传统实验技术不可比拟的优越性：（1）实时、生动、直观的特点激发学生解决问题的兴趣和动机;（2）利用计算机将图形、图像集成，利于学生建构化学问题解决活动的原型，帮助学生建构良好的问题表征;（3）数据采集的自动化使实验操作变得简单，可以使学生集中注意力于实验设计等高级思维活动，充分关注问题解决策略的运用;（4）实验结果实时、精确，缩短了数据分析的时间，提高了反馈的准确性;（5）简便的数据采集，大容量的信息储存，多种模式的显示方式有利于培养学生信息采集、整理和分析的能力[5，6]。数字化实验还可以增加学生探究的广度与深度，提高学生的课堂参与度，同时可以有效提升学生的科学探究能力，利于培养科学精神[7]。
在2019年4月的一次市教研活动中，笔者以电影《流浪地球》为情景素材开设了一堂主题式的公开课，在这节课的一个教学环节中利用Vemier传感器和“穿毛衣”的集气瓶巧妙创设了一个基于数字化实验的探究情景，顺利引导出想要得出的预设结论，并从中培养学生质疑、探究、思考、总结的思维习惯。以此教学片段为例，提供教师在教学中利用手持技术引导学生思维发展，并促进学生化学核心素养形成的探究案例。
二、案例描述
本节课的总体构架是先通过《流浪地球》中点燃木星的情節复习燃烧条件，进而复习燃料，通过火箭燃料过渡到飞上太空需要穿宇航服，从而由宇航服的资料进一步复习材料的分类，其中包含了学生分组实验鉴别生活中常见的纤维和数字化实验探究羊毛和化纤的保温及隔热效果。在一系列教学活动中，不仅复习了主题4的相关知识点，并从中向学生渗透“结构决定性质，性质决定用途，用途多方考虑”的化学思想。
在做数字化实验之前的教学环节中，学生通过制造宇航服的拓展资料复习了材料的分类，并通过小组实验检验了三种不同颜色不同纤维材料制成的毛线，得出结论：红色毛线是羊毛，黄色毛线是化纤，白色毛线是棉。此时笔者再拿出之前的资料提出问题：“我们再看之前宇航服中所用到的材料，宇航服保暖内层用的是羊毛材料，隔热外层用的是化纤。但是保暖这个词给我们的感觉是阻止热量出去，隔热是阻止热量进来，这两个词好像是一个意思呀？”学生纷纷点头，随后一脸疑惑。
继续设疑：“难道需要保温的时候羊毛效果更好，需要隔热的时候就是化纤效果更好了吗？”有的学生通过表情告诉我觉得可能是这样，大多数学生们继续一脸疑惑。这样就自然而然导入到了数字化实验探究的环节，当学生们听到老师说“通过一个数字化实验来探究一下吧”，全体都露出了兴奋期待的表情。
过渡陈述：“同学们刚刚亲手探究了红色毛线是什么材料？黄色呢？老师现在拿出了两件相同形状厚度的毛衣，是由粗细一致的这两种毛线用同样的织法制成的。”学生们看着两个护腕形状的物件被老师说成毛衣，哈哈大笑。“这是集气瓶的毛衣，我们现在给集气瓶穿上毛衣吧！”学生们看到教师把毛线护腕套在集气瓶上之后露出恍然大悟的表情。
接下来开始数字化实验（实验操作如图1所示）：在距离太阳灯的等距对称位置放置两个“穿毛衣”的集气瓶，将两个“穿毛衣”的集气瓶（瓶内是空气）与Vemier温度传感器相连，然后经由数据采集器连接笔记本电脑上的配套软件，打开太阳灯对“穿毛衣”的集气瓶进行等效加热，点击软件上的采集数据，以曲线形式呈现数据。为方便学生观察，调整纵坐标的范围，让学生更早的观察到两个样品升温速率的差距。在公开课上实际采集3分钟看到明显的温差后停止操作，在课件上展示课前采集2000秒以上的数据（如图2所示），让学生手摸“毛衣”并提问学生隔热效果好的材料是？通过观察对比分析，虽然手摸感觉升温差距不明显，但通过数字化对比实验的温度曲线可以发现羊毛的隔热效果更好。
保温实验也在课前完成（实验操作如图3所示）：将两瓶空气样品通过太阳灯照射加热到相同温度（通过连接温度传感器实时监控，加热到约40℃），然后给两个集气瓶穿上不同的毛衣，自然放置冷却，经由数据采集器将温度数据传输到笔记本电脑上的配套软件，采集约1000秒的数据（如图4所示）。让学生观察数据并提问保温效果好的材料是？学生发现也是羊毛。得出结论：羊毛保温和隔热效果都比化纤好。 笔者继续追问：“既然隔热效果和保温效果都是羊毛优于化纤，那么为什么宇航服的保温内层使用羊毛！但隔热外层却使用化纤呢？”学生小组交流讨论一会儿提出一些猜想之后，提示学生去看人教版下册课本的第105页，学生发现教材上写有“合成纤维强度高、弹性好、耐磨和耐化学腐蚀，但它的吸水性和透气性较差。”原来是因为内层材料不仅要考虑保温还要考虑舒适，而外层材料不仅要考虑隔热还要考虑耐磨等因素。联系学生的生活实际，回忆生活中羊毛衫总是穿在里面，而外套大衣使用化纤材料居多。再提问：“第8单元学习金属材料时我们知道铜和银导电性差距不大，但银更优越，为何使用铜作导线？”结合刚刚羊毛和化纤在宇航服制造中的使用讨论，引导学生回答出“虽然性质决定用途，但实际使用时要考虑诸多因素”。
此时用结构化板书小结：“结构决定性质，性质决定用途，用途多方考虑。”（在之前的教學中通过纤维材料的介绍已经提出结构决定性质。）于此完成基于数字化传感器和“穿毛衣”集气瓶的教学环节。
三、教学反思
本堂课笔者尝试将热门电影素材融人教学进行初中化学主题4的复习，围绕复习的知识费心整理资料素材，精心设计环环相扣的问题链。以数字化实验为亮点，利用数字化实验探究创设情景激发学生的思考分析，分析得到的结论依然回归教材。学生活动丰富，在各式各样的活动中提升了学生资料阅读、信息提取、证据推理、分析归纳、实验探究等能力，并体会化学与社会发展息息相关，感受学好化学可以创造更好的未来。
基于Vemier传感器探究不同纤维材料隔热保温效果的探究实验片段，始于课堂情景素材给学生产生的认知冲突，质疑是培养化学核心素养中“证据推理”的必要环节[8]。Vernier传感器将学生无法感知的细微温度变化以精确曲线的形式表征，通过对实时直观的数字化实验数据进行对比分析，培养了学生从定性探究到定量探究的思维方式，也提高了学生的证据推理能力，学生从中深刻体会到“物质的性质决定用途，但仍要考虑诸多因素”。以宇航服的材料选择为背景，激发了学生解决问题的渴望，在此种环境的营造下，课堂讨论氛围浓烈，学生兴趣盎然，结合数字化实验探究，共同实现了对学生化学核心素养的培养。
学习认知是从思维开始，有了思维，才会提出问题;有了思维，才会有解决问题的猜想;有了思维，才会解决问题。因此探究教学是在思维探究的基础上进行的，离开了思维探究，探究教学就成无本之木。“满堂灌”“炒冷饭”固然能使学生掌握化学基础知识、基本原理、基本技能，但是缺乏新鲜、动机的教学模式使课堂成为一潭死水，学生无兴趣，教师无动力。丧失活力的课堂，学习的有效性、高效性自然无从谈起[9]。
“化学课程标准”把“全面发展学生的学科核心素养”作为未来教学最重要的培养目标。化学学科核心素养包含“科学探究与创新意识”这一内容，在解读中提到“能发现和提出有探究价值的问题，能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用实验等方法进行实践活动[10]”。我们一线教师应在实际教学过程中切实践行新理念，开展以实验为主的多种探究活动，有目的、有计划地进行指向核心素养的教学设计，引导学习方式的转化，不断促进学生核心素养的发展，培养新时代全面发展的人。
参考文献
[1]陈苏苏，王伟群.化学探究式教学中学生思维的引导[J].化学教与学，2011（1）：2-3
[2]姚中奎，化学课堂教学中培养学生思维能力初探[J].中学化学教学参考，2000（1-2）：80-81
[3]徐惠，马宏佳.“数字化实验”校本课程的开发与实施[J].化学教与学，2018（2）：2-8
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[7] 刘艳，新技术新实验新亮点[J].化学教与学，2018（10）：79-81
[8]赵鑫，谢天华.基于化学学科核心素养中“证据推理”素养的培养[J].化学教与学，2018（10）：12-15
[9] 吴冯，王伟群.让化学成为关注社会问题的工具[J].教学设计研究，2016（1）：74-75
[10]李淑霞.对新课标化学实验的内容分析及教学建议[J].教育与装备研究，2019（3）：28-31